表面粗糙度对牙轮钻头内孔表面镀银层质量的影响

2020-12-18李英

理化检验(物理分册) 2020年7期

李英

(天津立林机械集团有限公司，天津 300352)

银是良好的导体，在材料表面制备镀银层可提高材料的导热、导电及焊接性能,此外镀银层还起到防腐、装饰、反光等作用[1],因此被广泛应用于电子、电器、仪器、仪表和照明等领域。

钻井用牙轮钻头的内孔与主轴接触,在工作时会产生摩擦，对内孔进行电镀银处理后不仅降低了摩擦因数,还可起到防腐和润滑，提高轴承导热性、密封性和使用寿命等作用[2]。为了保证镀银层质量，使其在牙轮钻头内孔表面发挥较好的作用，笔者分析了表面粗糙度对牙轮钻头内孔表面镀银层质量的影响。

1 试样制备

抽取两个低合金钢基体牙轮钻头，分别编号为A和B，在其内孔表面进行相同工艺的镀银处理。然后用线切割方法分别在每个牙轮钻头内孔镀银层处取两个试样，分别编号为A1，A2，B1，B2。另外在A，B两个牙轮钻头上切取10 mm×10 mm×2 mm的镀银层试样，分别编号为A3，B3。

2 试验方法与结果

2。1 XRD分析

对试样A3，B3的镀银层表面进行XRD分析，试验采用铜靶，电压为40 kV，电流为200 mA，扫描速度为3°·min-1，扫描范围2θ=10°～90°。

图1，2分别为试样A3,B3的镀银层XRD谱，可见两试样的特征峰基本一致，均在38°附近出现Ag(111)面的衍射峰；在44。2°附近出现Ag(200)面的衍射峰；在64。3°附近出现Ag(220)面的衍射峰；在77。3°附近出现Ag(311)面的衍射峰；在81。4°附近出现Ag(222)面的衍射峰[3-4]，均为纯银峰、无杂峰。

图1 试样A3的XRD衍射谱Fig.1 XRD diffraction pattern of sample A3

图2 试样B3的XRD衍射谱Fig.2 XRD diffraction pattern of sample B3

2。2 热震试验

根据GB/T 5270-2005《金属基体上的金属覆盖层电沉积和化学沉积层附着强度试验方法评述》，将试样A2,B2置于(300±10) ℃高温炉中1 h后迅速放入室温的水中骤冷，取出后用高压气吹干，观察热震试验后试样A2，B2的镀银层表面状态，并与未进行热震试验的试样A1，B1进行对比，如图3所示。可见试样A2在热震试验后镀银层表面失去光亮呈暗黑色，且镀层与基体间无起泡、脱落和剥离现象，如图3b)所示；试样B2在热震试验后镀银层表面无明显变化，且镀层与基体间无起泡、脱落和剥离现象，如图3d)所示。

通过对热震试验后试样A2，B2的外观对比观察，可以发现两个牙轮钻头内孔镀银层的氧化程度不同，与基体结合情况相近，均未发生起泡、脱落和剥离现象。

图3 热震试验后试样A2，B2的镀银层表面状态与未进行热震试验的试样A1，B1的对比Fig.3 Comparison of surface state of silver coating of sample A2, B2 after thermal shock test with sample A1, B2 without thermal shock test: a) sample A1; b) sample A2; c) sample B1; d) sample B2

2。3 金相检验

在未进行热震试验的试样A1，B1和热震试验后的试样A2，B2的横截面上分别切取适量金相试样，使镀银层与基体结合面位于镶嵌试样的表面，升温至140 ℃、加压保温20 min进行镶嵌制样。研磨、抛光试样，再用纯水和酒精依次清洁抛光后用高压气吹净，采用Observer A1m型光学显微镜对试样的显微组织进行观察。

由图4可见，高倍下观察未进行热震试验的试样A1，结合处不太平滑，有凹凸起伏，说明牙轮钻头A内孔的表面粗糙度较大，此外其镀层与基体结合较好；试样A2经热震试验后局部区域与基体之间出现夹层，该夹层颜色深浅不一，但仍然保持与基体的良好结合状态。由图5可见，试样B2的镀层在热震试验后与未进行热震试验的试样B1相比无明显变化，高倍下观察结合面平滑无凹凸起伏，说明牙轮钻头B内孔的表面粗糙度较小，且其镀层与基体结合良好。

2。4 扫描电镜分析

为进一步观察镀银层与基体的结合情况，采用S-4800型场发射扫描电镜(SEM)对未进行热震试验的试样A1，B1与热震试验后试样A2，B2的镀银层形貌进行观察。如图6所示，可见未进行热震试验的试样A1的镀银层与基体结合面呈一条不规则的曲线，在镀银层中间还发现了一条明显的结合面痕迹；试样B1的镀银层与基体结合面基本保持一条直线，且结合状态致密，这同样也可以说明牙轮钻头A内孔的表面粗糙度较大，牙轮钻头B内孔的表面粗糙度较小。

图4 热震试验后试样A2镀银层的显微组织形貌与未进行热震试验的试样A1的对比Fig.4 Comparison of microstructure morphology of silver coating of sample A2 after thermal shock test with sample A1 without thermal shock test: a) morphology of sample A1 at low magnification; b) morphology of sample A1 at high magnification; c) morphology of sample A2 at low magnification; d) morphology of sample A2 at high magnification

图5 热震试验后试样B2镀银层显微组织形貌与未进行热震试验的试样B1的对比Fig.5 Comparison of microstructure morphology of silver coating of sample B2 after thermal shock test with sample B1 without thermal shock test: a) morphology of sample B1 at low magnification; b) morphology of sample B1 at high magnification; c) morphology of sample B2 at low magnification; d) morphology of sample B2 at high magnification

如图7所示，热震试验后试样A2局部镀层与基体结合处出现了缝隙，局部镀层中间还出现了夹层，分离开的基体表面凹凸起伏较大，很不平滑。

2。5 能谱分析

对未进行热震试验的试样A1和热震试验后试样A2,B2的镀银层区域选取了如图8所示的几个位置进行能谱分析，结果如表1所示。可见试样A1镀层与基体结合处的明显痕迹为铜过渡层，当热震试验后镀层与基体中间出现夹层，结合强度降低，夹层内部杂质经能谱分析为低合金钢基体铁及其氧化物；试样B2的镀层完好、纯度较高，与基体结合牢固，中间未发现任何夹杂物。

图6 未进行热震试验的试样镀银层的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of silver coating of sample without thermal shock test: a) sample A1; b) sample B1

图7 热震试验后试样A2的局部镀银层SEM形貌Fig.7 SEM morphology of partial silver coating after thermal shock test of sample A2: a) crack; b) interlayer

图8 镀银层能谱分析位置Fig.8 Analysis positions for energy spectrum on silver coating: a) sample A1; b) area 1 on sample A2; c) area 2 on sample A2; d) sample B2

为进一步分析镀银层元素分布情况，对试样A1，B2进行了线扫描能谱分析，如图9所示。可见试样A1中银、铁、铜3种元素谱线变化较明显，基体与镀层之间以及镀层中明显痕迹线处铜谱线峰强

表1 镀银层能谱分析结果(质量分数)Tab.1 Analysis results of energy spectrum on silver coating (mass fraction) %

图9 镀银层线扫描能谱Fig.9 Line scan energy spectrum on silver coating: a) sample A1; b) sample B2

较高，分析认为该试样镀银时在基体表面进行了预镀铜处理，之后镀银过程中又进行了一次镀铜操作后继续镀银；试样B2中只有银、铁两种元素谱线变化较明显，基体与镀层之间无明显其他元素峰出现，仅仅是银峰明显增强，铁峰相对应减弱，其他元素比较平稳[5]。

3 分析与讨论

抽取的两个牙轮钻头的镀银层表面形貌无明显差别，XRD显示均为纯银峰、无杂峰，区别在于经过热震试验后镀银层与基体之间的结合情况不同。

在使用光学显微镜和SEM观察横截面试样时，基体与镀层的结合处线性越好说明基体表面的粗糙度越小，表面越光滑；反之基体与镀层结合处越凹凸不平，说明基体表面粗糙度越大，表面越粗糙。当基体表面较粗糙即粗糙度较大时，即使进行了预镀铜操作，镀银层经过热震试验后仍与基体发生了不同程度的分离，而基体平滑即粗糙度较小的钻头内孔，结合情况仍良好[6]。

综合分析认为，镀银层与基体之间的结合力受基体表面粗糙度影响较大，一方面粗糙度较大时基体表面不够平滑，影响镀前基体表面污物及氧化层的预处理效果，基体表面容易附着各种污物及不易活化的氧化层，成为阻碍电解液和金属表面直接接触的中间夹层[7]；另一方面较大的粗糙度不利于镀层的连续性和完整性，一旦镀层遭到破坏就会丧失良好的耐腐蚀性能和润滑作用，然后环境中的有害气氛及摩擦副会对镀层产生进一步破坏。